遼寧省防汛指揮調(diào)度系統(tǒng)技術(shù)研究與實現(xiàn)

李 祿

(遼寧省水利水電科學研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110003)

1 簡述

洪水災(zāi)害每年給社會帶來巨大生命財產(chǎn)損失，嚴重妨礙社會發(fā)展。采用先進的信息技術(shù)為防汛工作提供支撐是現(xiàn)代化防汛的必然途徑和必然趨勢[1]。2003年6月，國家防總啟動“國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)”建設(shè)，有效推動了該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展[2]。本研究不僅是防汛抗旱現(xiàn)代化的標志性工程，也是全省水利信息化建設(shè)的“龍頭”工程之一，對保證經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義[3]。近年來，遼寧省開展了大量防汛非工程措施建設(shè)，初見成效。但是，在頂層設(shè)計、預報調(diào)度、資源整合、數(shù)據(jù)利用等方面仍存在諸多不足之處[4]。表現(xiàn)在①缺乏頂層設(shè)計和總體規(guī)劃，尚無系統(tǒng)化成果；②重復建設(shè)嚴重，缺乏統(tǒng)一的應(yīng)用支撐平臺，存在信息孤島；③無法及時準確掌握全省防汛相關(guān)各類信息；④洪水預報調(diào)度過程繁瑣、耗時，預報精度無法保證；⑸各類數(shù)據(jù)利用效率較低，且存在安全隱患[5]。

2 現(xiàn)狀分析

縱觀國內(nèi)外關(guān)于防汛指揮系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，目前國外發(fā)達國家的防汛指揮系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展較快，取得了顯著效果[6]。但由于世界各地和各級別流域氣象、下墊面等專業(yè)要素特征及流域、水庫管理體制各不相同，因此不同國家的防洪減災(zāi)成果不能簡單移植[7]。國內(nèi)省級防汛指揮系統(tǒng)研究多處于起步階段，全國各地圍繞自身實際防汛業(yè)務(wù)需求，開展了水文遙測系統(tǒng)、防汛值班系統(tǒng)、洪水預報調(diào)度系統(tǒng)等一系列防汛子系統(tǒng)建設(shè)，但是各子系統(tǒng)相對獨立，應(yīng)用效率不高[8]。在國家“十三五”規(guī)劃中，對國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)工程提出了新的建設(shè)任務(wù)，包括大數(shù)據(jù)、云平臺、人工智能、移動互聯(lián)網(wǎng)等[9]。目前，各省及流域管理機構(gòu)在“國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)”項目的基礎(chǔ)上，不同程度地建立了自己的防汛業(yè)務(wù)系統(tǒng)，效果顯著[10]。尤其是在國家提出“智慧水利”的大背景下，“智慧防汛”也是整個方案的最重要組成部分，必將把防汛工作再次提升到一個新高度，從而解決更多的實際問題，產(chǎn)生更大的防洪效益[11]。

3 研究內(nèi)容

主要研究內(nèi)容包括遼寧省防汛會商平臺研發(fā)，標準化洪水預報調(diào)度模型庫建立，綜合數(shù)據(jù)服務(wù)及監(jiān)管平臺構(gòu)建。技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

3.1 遼寧省防汛會商平臺研發(fā)

基于“互聯(lián)網(wǎng)+防汛”的設(shè)計理念，遵循國家防汛指揮系統(tǒng)“兩臺一庫”的原則，以“一張地圖、一個平臺、一套框架”為宗旨，研發(fā)“遼寧省防汛會商平臺”，為全省防汛工作提供“一站式”服務(wù)。

(1)制作并發(fā)布“遼寧省水利一張圖”，涵蓋12級圖層、23個水利要素，融合自繪圖、水利部一張圖、外網(wǎng)地圖3類圖源，為全省水利系統(tǒng)提供統(tǒng)一、標準的多源地圖服務(wù)。

(2)構(gòu)建基于一張圖的“綜合監(jiān)視子系統(tǒng)”，可及時、準確、直觀的掌握全省防汛信息，包括雨情、水情、氣象、工情、告警、視頻等動態(tài)、靜態(tài)信息，避免信息孤島。

(3)自主研發(fā)具有通用框架的“遼寧省實用洪水預報調(diào)度系統(tǒng)”，為省防辦、省水文局及14個水文分局、調(diào)度中心及省直九大水庫提供支撐，實現(xiàn)全省大、中、小型水庫及重點各水文站的洪水預報與防洪調(diào)度。

(4)研發(fā)移動端防汛APP“防汛通”，為各級防汛人員提供方便快捷的汛情查詢手段。

(5)采用統(tǒng)一的平臺和架構(gòu)，實現(xiàn)10余項內(nèi)部系統(tǒng)和外部系統(tǒng)的資源整合，避免重復建設(shè)，提高系統(tǒng)運行效率。

系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主界面圖

3.2 標準化洪水預報調(diào)度模型庫建立

構(gòu)建標準化水文模型庫及調(diào)度規(guī)程庫，集成與封裝10余項水文預報、調(diào)洪演算及分析評價模型，有效提高水庫及河道洪水預報精度和預見期。

(1)構(gòu)建模型服務(wù)共享平臺，采用統(tǒng)一的標準和協(xié)議對模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行管理，可為全省水利專業(yè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的模型服務(wù)。

(2)采用實時預報、假擬預報、典型預報、組合預報4種方式，實現(xiàn)對水庫及河道水文站的產(chǎn)匯流計算，滿足不用應(yīng)用場景需要。

(3)針對中小型水庫匯流時間短等特點，建立抗雨能力分析及四象限調(diào)洪方法，可簡化水庫預報流程，提高預報的時效性。

(4)基于龍格庫塔法、多目標等算法，采用常量調(diào)度、模擬調(diào)度、規(guī)程調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度4種調(diào)度方式，可快速自動生成調(diào)度方案。

(5)采用PA值連續(xù)滾動計算、單位線優(yōu)選、實時校正等多種人機交互方式，以及特征分析、相似分析、方案分析等多種分析方法，構(gòu)建多功能集合式洪水預報，實現(xiàn)預報方案的逐步優(yōu)化及預報結(jié)果的對比分析。

模型服務(wù)共享平臺界面如圖3所示。

3.3 綜合數(shù)據(jù)服務(wù)及監(jiān)管平臺構(gòu)建

基于國家及水文相關(guān)技術(shù)標準，以信息技術(shù)手段，研發(fā)“綜合數(shù)據(jù)服務(wù)及監(jiān)管平臺”，重點解決數(shù)據(jù)上報、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)監(jiān)管等方面存在的問題，轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)服務(wù)模式，提高數(shù)據(jù)利用效率。

(1)采用云MAS短信報汛和智能手機報汛兩種方式，實現(xiàn)對全省808座小型水庫報汛，并與國家標準庫整合共享，強化小型水庫監(jiān)管。

(2)針對水文數(shù)據(jù)安全問題，采用同步并發(fā)、雙機熱備、數(shù)據(jù)庫集群、負載均衡、數(shù)據(jù)鏡像等多種安全保障措施，提高數(shù)據(jù)存儲與訪問的安全性。

(3)采用多線程任務(wù)調(diào)度、執(zhí)行解析器、Kettle數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)絡(luò)爬蟲等技術(shù)，研發(fā)數(shù)據(jù)交換平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集、分發(fā)與共享，實現(xiàn)3000+數(shù)據(jù)交換任務(wù)量執(zhí)行時間縮短到1s以內(nèi)。

(4)以數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)為核心，采用統(tǒng)一的標準和建設(shè)模式，構(gòu)建水利API應(yīng)用市場，轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)服務(wù)模式，對全省提供Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)接口。

(5)研發(fā)數(shù)據(jù)審計監(jiān)管平臺，針對API接口提供多種審計規(guī)則，提供多種審計規(guī)則，實時監(jiān)控、跟蹤全省水文數(shù)據(jù)流向，保證數(shù)據(jù)訪問的安全性。

監(jiān)管平臺界面如圖4所示。

4 研究方法

4.1 遼寧省防汛會商平臺研發(fā)

(1)遵循國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)“兩臺一庫”的基本原則，采用SCA面向服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)，以“一張地圖、一個平臺、一套框架”為宗旨，總體框架由7層支撐體系和2大保障體系構(gòu)成，構(gòu)建“遼寧省防汛會商平臺”，實現(xiàn)了平臺統(tǒng)一管理及服務(wù)資源化管理。

(2)基于WEBGIS技術(shù)，制作并發(fā)布“遼寧省水利一張圖”，涵蓋12級圖層、23個水利要素，融合自繪圖、水利部一張圖、外網(wǎng)地圖3類圖源，可為本系統(tǒng)及遼寧省其他應(yīng)用系統(tǒng)提供地圖服務(wù)。采用抽稀技術(shù)，有效解決各類要素顯示混亂問題；采用瓦片緩存技術(shù)，通過檢查返回緩存圖片的方式提高地圖訪問效率。

圖3 模型共享平臺界面圖

圖4 數(shù)據(jù)服務(wù)及監(jiān)管平臺界面圖

(3)構(gòu)建基于“一張圖”的綜合監(jiān)視子系統(tǒng)，集成雨情、水情、旱情、工情、告警、視頻、搶險、災(zāi)情等10余項防汛抗旱信息，采用圖表、GIS等多種形式，實現(xiàn)各類動態(tài)與靜態(tài)信息的交互查詢，將全省防汛信息及時、準確的展現(xiàn)在會商現(xiàn)場。

(4)采用統(tǒng)一、標準的系統(tǒng)建設(shè)模式，研發(fā)具有通用框架的“遼寧省實用洪水預報調(diào)度系統(tǒng)”。充分考慮平臺構(gòu)建的共性和異性，構(gòu)建一整套通用性強、移植好的系統(tǒng)平臺，集成20余項功能模塊；

(5)建立降雨、雨強、水庫、河道及土壤飽和等多指標告警體系，完成告警指標的制定與等級劃分，實現(xiàn)防汛單指標多級告警及多指標綜合告警，并結(jié)合全省行洪能力及特征水位調(diào)查成果，提高告警準確性。

(6)創(chuàng)建防汛會商新模式，構(gòu)建模式化防汛會商平臺，為會商全過程提供信息化支撐，實現(xiàn)防汛會議流程化、模式化、一站式管理，規(guī)范會商流程，提高會商效率；采用統(tǒng)一會商形式，實現(xiàn)省、市、縣三級防汛會商的資源共享與信息同步，保證防汛會商信息的一致性、及時性與可靠性。

(7)基于WEBGIS技術(shù)，對全省所有洪水風險圖進行統(tǒng)一管理與綜合展示，實現(xiàn)各類專題圖的成果查詢、動態(tài)模擬、災(zāi)情統(tǒng)計、避險轉(zhuǎn)移，為防汛會商提供全方位的參考依據(jù)。形成由“點(監(jiān)測站點)、線(洪水預報過程)、面(洪水風險圖)”多種要素組成的綜合分析，為防汛會商提供全方位的參考依據(jù)。

(8)堅持“立新、利舊”的建設(shè)原則和“統(tǒng)一、標準”的建設(shè)模式，采用“數(shù)據(jù)訪問、單點登錄、協(xié)議連接、網(wǎng)絡(luò)爬蟲”等多種形式，實現(xiàn)各類內(nèi)部資源(視頻、預案、物資、山洪)及外部資源(氣象、國土)的整合與利用，避免重復，形成合力。

(9)基于Android開發(fā)框架，研發(fā)移動端省級防汛APP，實現(xiàn)全省實時汛情、氣象信息、雨情信息、水情信息、工情信息、組織保障、視頻監(jiān)控、等信息的統(tǒng)一管理與查詢，便于防汛人員及時、準確的掌握全省汛情。

(10)采用先進的技術(shù)框架，平臺前端利用Dojo結(jié)合ArcGIS API，后端采用極速JavaWeb開發(fā)框架JFinal，保障平臺高效、穩(wěn)定運行；在處理高效的緩存管理時，采用AutoLoadCache緩存框架，實現(xiàn)信息自動加載；采用阿里公司的druid開源數(shù)據(jù)庫連接池，解決查詢延遲問題；采用Kriging算法，實現(xiàn)降雨等值線自動繪制。

4.2 標準化洪水預報調(diào)度模型庫建立

(1)采用動態(tài)鏈接庫DLL的形式，構(gòu)建標準化水文模型庫。對北方地區(qū)被廣泛應(yīng)用的產(chǎn)流模型(新安江、大伙房、遼寧指數(shù)、蓄滿產(chǎn)流等)、匯流模型(經(jīng)驗單位線、瞬時單位線、滯后演算等)、河道演算模型(馬斯京根等)和調(diào)洪演算模型進行開發(fā)與集成。

(2)構(gòu)建模型服務(wù)共享平臺，采用統(tǒng)一的標準和協(xié)議對模型結(jié)構(gòu)及參數(shù)進行管理，可為全省水利專業(yè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的模型服務(wù)。

(3)針對不同的應(yīng)用場景，采用實時預報(實時降雨信息作為降雨輸入)、模擬預報(氣象預報及假擬降雨作為降雨輸入)、典型預報(利用歷史典型降雨進行同比例縮放后作為降雨輸入，有效解決假擬降雨時空分布不合理問題)3種洪水預報形式，實現(xiàn)產(chǎn)匯流計算。

(4)結(jié)合流域特點，針對各控制上游不同的來水組合方式，綜合考慮水庫放水、支流匯入、區(qū)間降雨多種來水方式，實現(xiàn)洪水組合預報。

(5)提供PA值連續(xù)滾動計算模塊，可自動逐日計算來水量及前期土壤飽和程度，解決傳統(tǒng)信息采集方式誤差大及人工計算繁瑣等問題。

(6)基于最小二乘法開發(fā)了單位線優(yōu)選模塊，在匯流計算過程中，可根據(jù)暴雨中心、降雨總量、最大降雨、降雨強度等因素自動優(yōu)選出一條最適合的單位線，有效降低人為誤差帶來的影響。

(7)將概念性模型與黑箱模型相結(jié)合，對洪水預報結(jié)果進行實時校正。根據(jù)誤差的前后時段存在的相關(guān)性，構(gòu)建實時校正模型，利用洪水預報的誤差序列對預報結(jié)果進行實時校正，可進一步提高洪水預報精度。

(8)基于試算法、龍格庫塔法，采用常量調(diào)度、模擬調(diào)度、規(guī)程調(diào)度3種調(diào)度方式，實現(xiàn)水庫調(diào)洪演算，滿足不同部門的應(yīng)用需求；建立標準調(diào)度規(guī)程庫，對水庫調(diào)度規(guī)程進行統(tǒng)一管理與維護。

(9)采用特征分析、相似分析、排序分析、方案分析等多種分析方法，滿足災(zāi)前、災(zāi)中、災(zāi)后洪水分析的需要，以及對不同降雨級別與調(diào)度方案的優(yōu)選，利用歷史經(jīng)驗對未來洪水提供決策依據(jù)。

(10)針對中小型水庫，結(jié)合水庫庫容小調(diào)洪能力有限、集雨面積小、匯流時間短的特點，建立抗雨能力分析方法，并將四象限調(diào)洪方法應(yīng)用到小型水庫，顯著縮短了預報用時，簡化預報流程。

4.3 綜合數(shù)據(jù)服務(wù)及監(jiān)管平臺構(gòu)建

(1)采用云MAS短信報汛和智能手機報汛兩種方式實現(xiàn)對全省及大連市小型水庫雨水情信息的報汛，強化對小型水庫的監(jiān)管，并將小型水庫報汛信息與省水情數(shù)據(jù)庫進行整合，實現(xiàn)全省所有水庫雨水情信息全覆蓋。

(2)建設(shè)專用的涉密網(wǎng)絡(luò)，采用單向光閘將涉密數(shù)據(jù)與非涉密數(shù)據(jù)隔離，將實時數(shù)據(jù)由水利政務(wù)外網(wǎng)向涉密網(wǎng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進行推送，涉密數(shù)據(jù)只供水情部門使用，以保障涉密數(shù)據(jù)安全。

(3)將現(xiàn)有單實例SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)改造為SQL Server雙機熱備，使數(shù)據(jù)庫服務(wù)具備高可用性。采用Oracle RAC技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的集群管理及數(shù)據(jù)庫負載均衡，提高數(shù)據(jù)安全及訪問效率。

(4)采用Quertz多線程任務(wù)調(diào)度及多種執(zhí)行解析器技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯集與分發(fā)，從源頭獲取數(shù)據(jù)，有效解決數(shù)據(jù)類型多元化問題，實現(xiàn)水庫雨量站與水文部門雨量站的資源整合與共享。

(5)采用Kettle數(shù)據(jù)抽取轉(zhuǎn)換技術(shù)，極大的提升了數(shù)據(jù)抽取轉(zhuǎn)存效率，使3000+數(shù)據(jù)交換任務(wù)執(zhí)行時間縮短到1s以內(nèi)，有效解決平臺高并發(fā)、大任務(wù)量調(diào)度的問題，保證數(shù)據(jù)中心與分中心雨水情數(shù)據(jù)的同步。

(6)在不改變原有水情數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)匯集方式基礎(chǔ)上，對“水情信息交換系統(tǒng)”軟件進行重新配置，將全省雨水情信息匯集時間由原來的1h縮短到6min，提高數(shù)據(jù)采集時效性；

(7)采用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)，實現(xiàn)對氣象部門發(fā)布信息的實時在線獲取與存儲，包括衛(wèi)星云圖、雷達拼圖、降水預報、累積降水、天氣分析、臺風監(jiān)測等，可按照自定義方式對各類氣象信息進行二次定制與展示。

(8)原有省直水庫水情庫中只有通過自動遙測的水位信息，缺少入庫、出庫、蓄水量等其他水情信息。研發(fā)入庫流量的還原滾動計算模塊，結(jié)合水庫出庫流量信息，實現(xiàn)水庫入庫、出庫、蓄水量信息的自動存儲。

(9)以數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)為核心，研發(fā)“數(shù)據(jù)服務(wù)平臺”，轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)服務(wù)模式。形成一系列Web Service數(shù)據(jù)服務(wù)接口，采用KEY和IP對訪問權(quán)限進行控制；在對各項業(yè)務(wù)梳理的基礎(chǔ)上，形成一系列數(shù)據(jù)服務(wù)產(chǎn)品；

(10)研發(fā)數(shù)據(jù)審計監(jiān)管平臺，針對API接口提供多種審計規(guī)則，監(jiān)管數(shù)據(jù)安全，監(jiān)控、跟蹤數(shù)據(jù)流向。系統(tǒng)通過圖表進行審計結(jié)果的圖形化展示，可以方便的便于管理者掌握了解數(shù)據(jù)使用的實際情況。

5 技術(shù)指標

(1)為遼寧省防汛工作提供一整套有效的信息化解決方案。

(2)采用統(tǒng)一的應(yīng)用支撐平臺，展示全省各類防汛相關(guān)動態(tài)、靜態(tài)信息。

(3)制作發(fā)布“遼寧省水利一張圖”，涵蓋12級圖層、23個要素，融合3類圖源。

(4)構(gòu)建“省直水庫歷史數(shù)據(jù)庫”，涵蓋279張表，10余萬條數(shù)據(jù)。

(5)轉(zhuǎn)變數(shù)據(jù)服務(wù)模式，從原來的數(shù)據(jù)服務(wù)向接口服務(wù)轉(zhuǎn)變，提高數(shù)據(jù)訪問效率與安全性。

(6)全省2000余個雨量站的數(shù)據(jù)匯集時間由1h縮短到6min。

6 主要創(chuàng)新點

(1)省直9大水庫洪水預報調(diào)度方案的制定用時，由原來的3h縮短到20min，提高水庫洪水預報及防洪調(diào)度效率。

(2)構(gòu)建了適合北方地區(qū)推廣應(yīng)用的標準化水文模型庫，集成與封裝10余項水文模型及調(diào)洪演算模型，有效提高洪水預報精度。

(3)采用云MAS短信報汛和智能手機報汛兩種方式，強化對全省600余座小型水庫的監(jiān)管，填補小型水庫無報訊空白。

(4)首次實現(xiàn)水文數(shù)據(jù)與水庫數(shù)據(jù)的共享，并補齊水庫水情信息不全的短板；全省2000余個雨量站的數(shù)據(jù)匯集時間由1h縮短到6min。

7 效益分析

目前，本成果已經(jīng)實現(xiàn)全省的推廣與應(yīng)用，已成為各級防汛部門不可替代的支撐手段。具體推廣情況如下：遼寧省水資源管理集團、省調(diào)度中心、省直9座大型水庫；省防辦、4個市防辦(沈陽、丹東、盤錦、遼陽)；省水文局、14個市水文局；省水庫管理中心(小型水庫)；渾河、太子河、鴨綠江、遼河油田等重點保護區(qū)。

成果應(yīng)用以來，在防御洪旱災(zāi)害中發(fā)揮了巨大作用。在2005年8月丹東潮位站與2006年8月梨樹溝站洪水預報中，預報精度較高；在2010年8月渾河沈陽段防洪中，實現(xiàn)了橡膠壩的科學調(diào)度；在2013年“8.16”洪水中，大伙房水庫洪水預報精度達到85%，為水庫預蓄預泄提供重要依據(jù)；在2017年“8.03”及2018年、2019年洪水中，遼寧省防汛指揮系統(tǒng)曾多次在省、市級重點防汛會議中發(fā)揮了重要作用，為上級領(lǐng)導指揮決策提供了及時、準確的參考依據(jù)。提高了抗洪搶險能力，減少傷亡損失，使防汛抗旱工作從傳統(tǒng)工作方式向現(xiàn)代化邁進了一大步，在2019年“利奇馬”臺風中，本系統(tǒng)為集團防汛工作提供了有效的支撐。同時，該成果的研究與應(yīng)用促進了水利信息化的發(fā)展，提高了行業(yè)管理水平，對和諧社會的創(chuàng)建和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展起到一定的保障作用。

8 結(jié)語

本文緊密圍繞國家重大需求，具有針對性強、覆蓋面廣、內(nèi)容全面、成果突出、效益巨大等特點。綜合展示全省各類防汛信息，為集團防汛指揮提供參考依據(jù)。省直9大水庫洪水預報調(diào)度方案制定用時，由原來h縮短到20min。規(guī)范調(diào)度中心及省直水庫業(yè)務(wù)流程，提高工作效率，降低運行成本?？蔀榧瘓F及全省提供統(tǒng)一的平臺服務(wù)、地圖服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、模型服務(wù)。最終形成由“平臺、數(shù)據(jù)、模型”共同組成的服務(wù)模式，利用平臺匯集資源、利用數(shù)據(jù)發(fā)揮優(yōu)勢、利用模型打造品牌，實現(xiàn)傳統(tǒng)防汛到現(xiàn)代化防汛的轉(zhuǎn)變，使得全省防汛決策更加科學精確，提高了抗洪搶險能力。